Во многих случаях необходимо, чтобы электроприборы и оборудование работали при отсутствии солнечного света. Следовательно, необходимо накопить солнечную энергию в аккумуляторах для последующего использования. Наиболее подходящими для этих целей являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Ток, необходимый для заряда аккумуляторной батареи, зависит от степени заряженности аккумуляторных элементов. Таким образом, требуется сделать регулятор заряда, который бы оценивал разряженность батареи и в зависимости от этого управлял зарядным током. При зарядке от солнечных элементов наиболее пригоден способ с двухступенчатым зарядным циклом [1]. Зарядный цикл аккумуляторной батареи должен соответствовать периоду генерации солнечными элементами полезной мощности, причем заряд батареи необходимо завершить за кратчайшее время. Известно, что батарея заряжена на 80% полного заряда при появления газовыделения. Скорость газовыделения пропорциональна току, протекающему через аккумулятор. На последнем этапе заряда аккумулятора его заряжают небольшим током, составляющим часть первоначального тока. Оптимальным режимом заряда будет такой, при котором выделение газа начнется через 4 часа после начала заряда батареи. Это время соответствует наибольшей интенсивности солнечного излучения в светлое время суток. Независимо от сезонных изменений и погодных условий в интервале времени от 10 до14 часов можно достичь максимальной отдачи от солнечной батареи. Этому времени заряда численно соответствует зарядный ток величиной 20А на каждые 100А-ч емкости батареи, если солнечные элементы позволяют получить такой ток. После 4-часового заряда при фиксированной скорости до начала газовыделения в аккумуляторной батареи будет запасено 80% полного заряда. Затем ток необходимо снизить до 2-5% емкости батареи. В зависимости от выбранного тока потребуется еще 4-10 часов до полного заряда аккумулятора. В совершенных энергетических устройствах аккумуляторные батареи обычно находятся в полностью заряженном состоянии большую часть времени эксплуатации, и полная их разрядка встречается крайне редко. Для нормальной работы регулятора заряда, удовлетворяющего требованиями к зарядному току, необходимо знать степень заряженности аккумуляторной батареи в любой момент времени. Для 12В батареи напряжение в 12,6В соотвествует 80% полного заряда. Полностью заряженная батарея развивает напряжение 13,2В. Таким образом, определяя напряжение на батареи, можно регулировать зарядный ток. Принципиальная схема зарядного устройства представлена на рис.1. Устройство работает следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. Зарядный ток коммутируется и регулируется с помощью электронного ключа на мощных полевых транзисторах [2]. Микросхема VR1 представляет собой регулируемый стабилизатор положительного напряжения с малым падением напряжения вход-выход. Она имеет встроенную защиту по току и перегреву. Выходное напряжение может регулироваться в пределах от 1,2 - 34В. Отечественный аналог импортной микросхемы КР142ЕН22. Изменяя выходное напряжение микросхемы VR1, мы изменяем уровень управляющего напряжения для полевых транзисторов. Полевые транзисторы с индуцированным затвором при нулевом напряжении между затвором и истоком имеют нулевой ток стока. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового уровня Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока. Обычно пороговое напряжение находится в пределах 4-5В. Иногда пороговое напряжение называют напряжением отсечки. Но существуют полевые транзисторы, имеющие пороговое напряжение в 2-3В. Фирма IRF добавляет в обозначение таких транзисторов букву L. Выходные характеристики полевых транзисторов, как правило, имеют две области: линейную и насыщения. В линейной области вольтамперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обуславливают области применения этих транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе. Области насыщения и отсечки используют как ключ, управляемый напряжением на затворе. Таким образом, изменяя с помощью резистора R3 величину выходного напряжения стабилизатора VR1, происходит установка тока через электронный ключ. За напряжением на аккумуляторной батареи следит специальное устройство (компараторDA2). В качестве устройства сравнения используется микросхема интегрального стабилизатора DA2. Она имеет внутренний источник опорного напряжения, усилитель рассогласования и мощный выходной ключ. Опорное напряжение с вывода 5 микросхемы DA2 поступает на один вход усилителя рассогласования (вывод 3), а информационный сигнал с движка потенциометра R12 на второй вход усилителя рассогласования (вывод 4). Если информационный сигнал превышает опорный, то на выходе (вывод 8) появляется высокое напряжение. Начинает светиться светодиод оптрона U1.2. Это приведет к открытию транзистора оптрона и подключению резистора R5 параллельно резистору R3. В результате снизится выходное напряжение стабилизатора VR1 и уменьшению зарядного тока через электронный ключ. Светодиод VD3 служит для индикации состояния электронного ключа (желательно поставить суперяркий). При большом зарядном токе он светит ярко, а при малом тускло. Резистор R10 создает небольшую положительную обратную связь, позволяющую устранить частые включения и выключения вблизи напряжения срабатывания. Тем самым колебательный процесс исключается. На стабилитроне VD1 выполнен компаратор, вырабатывающий сигнал включения электронного ключа. Его выбирают таким, чтобы напряжение солнечной батареи превышало напряжение на аккумуляторе. Для 24В аккумулятора необходимо поставить два последовательно включенных стабилитрона. В случае выполнения этого условия начинает светить светодиод оптрона U1.1, что приводит к открытию транзистора этого оптрона. В результате на выводах 2,6 присутствует низкий уровень напряжения. На микросхеме DA2 выполнен инвертирующий триггер Шмита, управляющий работой электронного ключа на полевых транзисторах VT1,VT2. Если на его входе низкий уровень напряжения, то выходе будет высокий и, наоборот, при высоком входном – на выходе низкий уровень напряжения. Заряд аккумулятора будет только в том случае, когда напряжение на солнечной панели будет превышать напряжение на аккумуляторе. Питание цепи управления осуществляется от солнечной панели и аккумулятора параллельно. Рассмотрим, как осуществляется питание устройства. Минус (-E) SZ - Обратный диод транзистора VT1 – стабилитрон VD2- резистор R2 – плюс (+E) SZ. На стабилитроне возникает падение напряжения в 15В. Вторая цепь питания работает от заряжаемого аккумулятора: минус Акк – обратный диод транзистора VT2 – стабилитрон VD2 – резистор R2 – плюс Акк. Увеличение напряжения питания (от солнечных панелей) днем ни как не сказывается на работе устройства, поскольку напряжение питания цепей управления затворами полевых транзисторов имеет двойную стабилизацию. Таким образом, устройство будет пригодно для заряда аккумуляторов с напряжением в 12В, 24В. Резистор R2 выбирают исходя создания тока через стабилитрон VD2 в 25 мА. Резистор R9 выбирают исходя создания тока через светодиод оптрона в 10 мА. Ток через резисторы R11-R13 выбираем в 1мА. Для низких напряжений желательно поставить низковольтные транзисторы (IRFP4368PbF напряжение исток-сток 75В, длительный ток при температуре25гр. 350А, сопротивление канала 1,4миллиОм) и др. подобные можно найти на сайте фирмы IRF. Радиаторы на полевые транзисторы выбираем из расчета 10см2 на один ватт рассеиваемой мощности. Диод VD4 служит для защиты компаратора от переполюсовки аккумулятора. От переполюсовки солнечной панели защищает электронный ключ. Стандартная солнечная панель Exmork 300вт 24В имеет напряжение холостого хода 46,17В, ток 8,55А, напряжение максимальной мощности 36,81В. Номинальное напряжение 24В. Солнечная панель 12В имеет напряжение холостого хода 23В, а номинальное 17,5В.
1. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами.
«МИР» 1988г.
2. Калашник В.И. Электронный ключ.
Радиолюбитель №2 2013г., с.29-30.
